宽带圆极化犄角形缝隙天线设计

房浩宇，孙如英＊，周宝安

（临沂大学 物理与电子工程学院，山东 临沂 276000）

宽带圆极化犄角形缝隙天线设计

房浩宇，孙如英＊，周宝安

（临沂大学 物理与电子工程学院，山东 临沂 276000）

文章设计了一款宽带圆极化缝隙天线。该天线采用微带线激励犄角形缝隙，实现了宽带辐射特性。研究结果表明，该天线具有良好的阻抗匹配带宽和圆极化辐射性能，其阻抗带宽（S11＜ –10 dB）为24.8% （2.2～2.82 GHz），3-dB轴比带宽为29.2% （2.13～2.86 GHz）。

圆极化；宽带天线；缝隙天线；轴比带宽；阻抗带宽

1 现代通信系统发展背景

现代通信系统正向大容量、高速化、多任务快速发展。宽带天线在移动卫星通信系统，雷达跟踪，无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）和无线局域网（Wireless Local Area Networking，WLAN）等方面的应用越来越广泛。然而，很多宽带天线为线极化方式，已很难满足恶劣条件下对天线传输信号稳定性的需求。圆极化天线由于可接收任意极化的来波，其辐射波也可由任意极化天线收到，且不同旋向的电磁波间具有较大极化隔离，能适应复杂环境和提高抗多径能力，宽带圆极化天线的研究日益得到重视[1]。

微带缝隙天线由于对加工精度要求低，可以采用标准的光刻技术制作在敷铜电路板上，并且工作频带较宽，普遍应用于现代雷达、电子对抗和无线通信等领域。微带缝隙天线一般采用宽缝结构来实现宽的阻抗带宽，通过微带线或共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）进行馈电，具有比微带天线相对更宽的带宽。国内外对这方面做了许多的研究，而且已经有了不少的研究成果。文献[2]利用微带缝隙并在缝隙内引入微扰实现天线的圆极化性能，使这种圆极化缝隙天线的3-dB轴比带宽可以达到8.5%；文献[3]中采用环形缝隙并通过微带线馈电实现了天线的圆极化性能，并且使天线的3-dB轴比带宽提高到了11%；文献[4]采用微带馈线馈电，使得在接地板上开的环形缝隙能够与谐振元件相互作用实现了天线的圆极化性能。文献[5]采用共面波导馈电正方形缝隙，并在缝隙中引出相互连接的椭圆形金属片，设计一种新型的圆极化缝隙天线，阻抗带宽和圆极化带宽分别达到了15.5%和10.4%。文献[6]使用CPW进行馈电，通过在矩形缝隙中馈电线末端增加一个小的调谐枝节调节阻抗匹配，实现了17.39%的3-dB轴比带宽。

本文设计了一款犄角形缝隙宽带圆极化天线。该天线具有良好的阻抗匹配带宽和圆极化辐射性能，阻抗带宽为24.8%（2.2～2.82 GHz），3-dB 轴比带宽为29.2%（2.13～2.86 GHz），其工作频段除了中国移动的1 880～1 900 MHz外，还覆盖了三大运营商2.32～2.655 GHz之间的6个频段。

2 天线结构

在相对介电常数εr =4.4，厚度为1.5 mm的FR4基片上构建如图1所示的缝隙天线。关于所有阻抗匹配和圆极化性能的研究都是通过ANSYS HFSS 14.0实现的，天线的关键参数是以S11和AR性能为优化目标得到的。具体的天线几何参数为L=56 mm，R=42.8 mm，d1=7.6 mm和d2=32 mm，d3=5.3 mm。

3 仿真与测试结果

该天线的设计中心工作频率为2.5 GHz，天线实物照片如图2所示。天线的阻抗特性由Agilent 8 722 ES网络分析仪测得，反射系数（S11）的测量值与仿真结果的比较如图3所示。可以看出，实测和仿真曲线在带宽上基本吻合。天线展示出良好的阻抗匹配特性，其仿真的阻抗带宽为24.8%（2.2～2.82 GHz），实测阻抗带宽（S11＜–10dB）达26%（2.27～2.92 GHz）。天线的轴向的Axial Ratio（θ=0°）随频率的变化关系如图3所示，3-dB 轴比带宽从2.13～2.86 GH z，覆盖29.2%，轴比带宽良好。

图1 宽带圆极化犄角缝隙天线设计结构

图2 宽带圆极化犄角缝隙天线实物

图3 仿真与测试的S11曲线

图4是天线工作在中心频率2.5 GHz 时的辐射方向图。如图5—6所示，天线在视轴方向为右旋圆极化（RHCP）波，而在相反的方向同时辐射左手圆极化（LHCP）波。天线增益仿真曲线如图7所示，最佳增益可达到4.19 dB，且在整个工作频带内增益平坦。

图4 轴比的仿真曲线

图5 xoz面上的左旋右旋圆极化方向

图6 yoz面上的左旋右旋圆极化方向

图7 天线增益仿真结果

4 结语

本文设计了一款犄角形缝隙宽带圆极化天线。天线结构简单，且具有良好的阻抗匹配带宽和圆极化辐射性能，能覆盖ISO/IEC 18000-4 协议规定的RFID 的频率范围，适合小型化阅读器使用，在RFID领域具有广阔的应用前景。

[1]HAN R C, ZHONG S S.Broadband circularly polarised dielectric resonator antenna fed by wide band switched line coupler[J]. Electronics Letters, 2014（10）：725-726.

[2]WOJCIECH J, KRZYSZTOFIK. CP-microstrip copanar patch antenna for satellite reception[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2008（2）：372-375.

[3]SU C W, ROW J S. Slot-coupled micro-strip antenna for broad band circular polarization[J].Electronics Letters, 2006（6）：318-319.

[4]FENG P, TUAN Y, TSAIR R C. Compactslot-coupledmicrostripantennaswithcircularpolarization[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005（1）：57-59.

[5]杨斌.宽带圆极化与极化可重构缝隙天线设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[6]JEERA G, CHATREE M, PRAYOOT A. A wide band circular polarization antenna with tuning rectangular slot fed by CPW[C]. France：IEEE 9th Conference on Echanges et Consultations Techniques Internationaux, 2012.

Research on broadband circularly-polarized chifre-shaped slot antenna

Fang Haoyu, Sun Ruying*, Zhou Baoan

（Physics and Electronic Engineering School of Linyi University, Linyi 276000, China）

A broadband circularly-polarized slot antenna is designed in this paper. The broadband property of the antenna is basically achieved by the chifre-shaped slot radiator fed with microstrip line. The antenna delivers good performance on impedance matching and circular polarisation, its impedance bandwidth （S11＜ –10 dB） is of 24.8% （2.2—2.82 GHz）and 3-dB axial-ratio bandwidth is of 29.2%（2.13—2.86 GHz）.

circular polarization; broadband antenna; slot antenna; axial ratio bandwidth; impedance bandwidth

临沂大学大学生创新项目；项目编号：201510452136。

房浩宇（1997— ），男，山东临沂。

＊通信作者：孙如英（1981— ），女，山东临沂，讲师；研究方向：微波电路与系统，天线理论与技术。